www.188betkr.com 讯石英晶体在形成过程中,一些元素会替代硅元素进入石英晶体中,形成了石英的结构性杂质。这些杂质含量虽然很低,但从石英中分离难度大,是制约高纯石英质量最关键性因素。
在石英结构性杂质中,Al杂质元素含量一般最高。由于Al是以Al3+替代Si4+的形式存在,引起了石英晶格内部电荷不平衡,当石英中存在大量Al杂质时,Li、K、Na等杂质元素的含量会增加。因此可以使用天然石英中Al的含量来判断石英原料的质量。
石英晶体中的晶格取代形式
在现有加工技术下,石英原料中晶格杂质几乎不能被除去。以晶格杂质形式存在的Al元素含量虽然极低但除去难度极大,是制约高纯石英最终质量的关键。
在提纯的整个工艺流程中,经过焙烧水淬、磁选、酸浸工序,石英中杂质元素Fe、Cr、Ni、Na、K、Ca、Mg、Cu等可以大幅度降低。但Al在经历一系列提纯工序之后,去除效果有限,这主要是因为Al3+进入晶格替代Si4+、而且离子半径也比较接近,不易提纯。
类似的还有Ti4+、B3+、P3+等杂质元素。可见,天然石英内部的杂质,特别是以类质同像状态存在的杂质,直接制约着高纯石英产品生产,当原矿Al、Ti、Li、B、P等杂质元素含量较高,就不易获得高纯石英。
典型的例子有,Norway地区石英岩,虽与蓝晶石等多种矿物共伴生,但其晶格杂质少且几乎不含流体包裹体,被认为有可能加工为高纯石英;而Sierrade Comechigones(Argentina)地区伟晶岩虽然SiO2含量很高,但由于细粒石英中晶格杂质较高,很难被加工为高纯石英。
综上所述,晶格杂质,是制约高纯石英质量最关键性因素。晶格杂质中的(Al3+、Ti4+)-O键能较大,Al、Ti取代石英晶格中的Si形成新的[AlO4]、[TiO4],是石英中最难脱除的晶格杂质元素。
晶格结构杂质是加工高纯石英产品难以突破的最终瓶颈。要选择正确的高纯石英原料和制定最佳的石英提纯方案,须明确石英中杂质元素的赋存状态。当前研究杂质元素赋存状态的方法主要有:(1)X射线衍射数据拟合精修分析;(2)LA-ICP-MS面扫描图像分析;(3)红外吸收光谱分析;(4)电子探针及能谱分析;(5)阴极发光特征分析。
目前来看,氯化焙烧工艺是去除石英晶格杂质比较有效的方法。氯化焙烧是在低于石英熔点温度下,石英中的杂质组分与氯化剂作用转变为氯化物而挥发出来,石英在高温氯化焙烧过程中存在晶型转变,使得石英晶格中的金属离子如Al3+、Ti4+等可能会迁移扩散到石英表面,与HCl、NH4Cl和Cl2等发生化学反应变成易挥发组分而实现与石英的分离,同时也阻止了杂质元素在冷却过程再迁移扩散至石英晶格中。
参考来源:
杨晓勇等,高纯石英的研究进展及发展趋势,中国科学技术大学
欧阳静等,石英矿物资源的提纯及在战略性新兴产业中的应用技术分析,中南大学
马超等,高纯石英原料矿物学特征与加工技术进展,中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所
王云月等,高纯石英原料特征和矿床成因研究现状综述,合肥工业大学
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